【摘要】：植入式中耳助聽裝置(人工中耳)是目前治療感音神經(jīng)性聽力損傷的一種新型手段。由于其采用機(jī)械激勵(lì)的方式直接刺激聽骨鏈等中耳結(jié)構(gòu),既可解決傳統(tǒng)助聽器存在的聲反饋、高頻增益小等問題,又可規(guī)避電子耳蝸所導(dǎo)致的內(nèi)耳手術(shù)創(chuàng)傷,因此是中至重度感音神經(jīng)性聽力損傷的一種理想補(bǔ)償方案。目前已有的電磁式人工中耳,存在著能耗較高、易受外界磁場干擾等問題,而采用壓電雙晶片的壓電式人工中耳,則存在補(bǔ)償頻率低、增益量有限等局限性,因此,研究并設(shè)計(jì)一種高頻補(bǔ)償能力強(qiáng)、能耗低、可靠性高的植入式中耳助聽裝置,具有現(xiàn)實(shí)的必要性。在人工中耳的理論設(shè)計(jì)階段,結(jié)合人耳的力學(xué)特性進(jìn)行等效聲壓級(jí)和功耗等植入特性的研究,是人工中耳設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前已發(fā)表的人耳力學(xué)模型中,軟組織的材料屬性仍然普遍采用線彈性的假設(shè)條件,這一方面與人耳真實(shí)的非線性材料特性并不相符,無法準(zhǔn)確反映人耳的生物力學(xué)特征,另一方面,基于此的人工中耳數(shù)值評(píng)價(jià)也無法有效地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論研究。針對(duì)以上問題,本文首先致力于構(gòu)建準(zhǔn)確且完整的人耳力學(xué)模型,該模型中考慮了軟組織的超彈性和粘彈性材料特性,并實(shí)現(xiàn)外耳、中耳和內(nèi)耳的整耳集成。以此為基礎(chǔ),對(duì)壓電式人工中耳的等效聲壓級(jí)和功耗等植入特性進(jìn)行了深入研究,并設(shè)計(jì)了一款以壓電疊堆作為振源的砧骨激勵(lì)式壓電振子。最終基于搭建的人體顳骨實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過聲激勵(lì)和機(jī)械激勵(lì)分別完成了人耳模型與壓電振子的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。論文的主要內(nèi)容與研究成果如下:1.對(duì)人耳軟組織的準(zhǔn)靜態(tài)超彈性和動(dòng)態(tài)粘彈性材料特性的本構(gòu)模型建立方法進(jìn)行了深入研究,分別以三階Ogden應(yīng)變能函數(shù)和一階Prony級(jí)數(shù)擬合已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),獲得了各軟組織結(jié)構(gòu)的非線性材料參數(shù)。進(jìn)一步通過等效應(yīng)變的度量,得到了動(dòng)態(tài)分析中長期模量的表達(dá)式,實(shí)現(xiàn)了超彈性與粘彈性的本構(gòu)連接,確定了在人耳力學(xué)模型中考慮材料非線性的建模方法。2.建立了完整且準(zhǔn)確的人耳三維有限元模型,并利用該模型對(duì)人耳的力學(xué)特性和傳聲機(jī)制進(jìn)行了分析與研究�；诟呔任T掃描的成像數(shù)據(jù),采用逆向成型技術(shù)建立了外耳和中耳的幾何模型,內(nèi)耳的幾何模型則以雙腔導(dǎo)管的形式進(jìn)行表達(dá),同時(shí),利用多場耦合的建模方法,完成了外耳氣體、中耳固體、內(nèi)耳流體的物理連接,從而可實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)由外耳、經(jīng)中耳并最終傳遞至內(nèi)耳的完整路徑模擬。更進(jìn)一步,在模型中考慮了軟組織的超彈性和粘彈性材料特性,使得模型可同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聲壓加載和靜態(tài)壓強(qiáng)加載下的仿真分析。采用該模型,分別模擬了人耳系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了較好的匹配效果,并最終利用該模型分析了幾何非線性和材料非線性對(duì)于人耳傳聲機(jī)制的影響。3.利用人耳系統(tǒng)與壓電振子的耦合模型,對(duì)正向與逆向激勵(lì)式人工中耳的植入特性進(jìn)行了針對(duì)性分析。以壓電疊堆作為壓電式人工中耳的基本振動(dòng)元件,對(duì)其力電耦合特性與仿真建模方法進(jìn)行了研究。針對(duì)正向激勵(lì)式人工中耳,設(shè)計(jì)了懸浮式壓電振子的外周結(jié)構(gòu),利用耦合模型完成了振子的等效聲壓級(jí)和功耗計(jì)算以及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過考慮軟組織的材料非線性,分析了中耳靜壓和粘彈性對(duì)于人工中耳植入特性的影響。針對(duì)逆向激勵(lì)式人工中耳,通過將振子作用于圓窗膜,分析了連接方式對(duì)于圓窗激勵(lì)的影響。最后,通過人工中耳三種激勵(lì)位置的比較分析,確定了砧骨體激勵(lì)式壓電振子的設(shè)計(jì)方案,并完成了具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與植入效果分析。4.基于人體顳骨平臺(tái)的砧骨體激勵(lì)式壓電振子的實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo),完成了壓電振子的加工制造工作。在壓電振子端部自由的邊界條件下,對(duì)其動(dòng)態(tài)輸出性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量,結(jié)果表明該壓電振子的輸出位移滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)具有良好的位移線性度和較寬的動(dòng)態(tài)范圍,有益于處理算法的開發(fā)以及高頻聽力損傷的補(bǔ)償。進(jìn)一步,搭建了人體顳骨的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并分別測量了外耳道聲激勵(lì)和壓電振子激勵(lì)下的鐙骨位移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所建的人耳模型能夠準(zhǔn)確反映人耳的動(dòng)態(tài)特性,同時(shí),通過兩種激勵(lì)形式的鐙骨位移比較,表明了壓電振子的低功耗和高頻補(bǔ)償能力強(qiáng)的特點(diǎn),適用于感音神經(jīng)性聽力損傷的治療。
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圖片說明： 境噪聲以及職業(yè)性噪聲等因素的影響，由此所導(dǎo)致的聽力損傷已成為困擾廣大日常生活的一個(gè)醫(yī)療難題。鑒于本課題的醫(yī)工交叉學(xué)科屬性，在進(jìn)行課題背景與意義的介紹之前，有必要耳系統(tǒng)的生理組織結(jié)構(gòu)及其伴隨的聽力損傷進(jìn)行詳細(xì)的說明，從而利于后續(xù)研作的展開�；诖�，本節(jié)從解剖學(xué)的角度對(duì)人耳的組織構(gòu)成、傳聲路徑以及多場的生理特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)性介紹，同時(shí)，基于人工中耳設(shè)計(jì)的需要，對(duì)聽力損傷的、程度劃分以及治療手段進(jìn)行了說明，并闡述了人工中耳的適應(yīng)病癥。.2.1.1 人耳系統(tǒng)人耳由外耳（outerear）、中耳（middleear）和內(nèi)耳（innerear）三部分組成， 1-1 所示。從總體功能上來講，外耳和中耳分別起到集聲和傳聲的作用，內(nèi)耳受聲信號(hào)并形成神經(jīng)沖動(dòng)。同時(shí)，外耳的骨部、中耳以及內(nèi)耳都包含在顳temporal bone）內(nèi)。
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圖片說明： 通過顱骨傳導(dǎo)，簡稱骨導(dǎo)。在正常情況，人耳以氣導(dǎo)為主。鑒于本論文中人工中聽力補(bǔ)償是人耳氣導(dǎo)的重建，骨導(dǎo)在此不做詳細(xì)介紹。就氣導(dǎo)而言，如圖 1-2 ，外界的聲信號(hào)首先被外耳采集，通過外耳道引起鼓膜的振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)聽骨ossicularchain）的機(jī)械振動(dòng)，聽骨鏈的振動(dòng)進(jìn)一步通過鐙骨底板（stapesfootplate遞至內(nèi)耳外淋巴。在內(nèi)耳中，傳至外淋巴的聲能量轉(zhuǎn)換成內(nèi)耳流體的振動(dòng)，后者基底膜（basilarmembrane）的振動(dòng)，位于基底膜上的螺旋器毛細(xì)胞靜纖毛彎曲，毛細(xì)胞的電活動(dòng)。毛細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)激動(dòng)螺旋神經(jīng)節(jié)細(xì)胞軸突末梢，產(chǎn)生軸突電位。神經(jīng)沖動(dòng)沿腦干聽覺傳導(dǎo)徑路到達(dá)大腦顳葉聽覺皮質(zhì)中樞面，，并最終產(chǎn)生。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：R764;R318.1

【參考文獻(xiàn)】

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1 張官萍;巫愛霞;戴樸;韓東一;陳俊生;韓正理;李永奇;;中耳三維有限元模型的建立與中耳實(shí)體模型質(zhì)量屬性分析[J];中華耳鼻咽喉頭頸外科雜志;2007年05期

本文編號(hào)：2513851